ةرازو ﻲﻤﻠﻌﻟا ﺚــــﺤﺒﻟا و ﻲﻟﺎﻌﻟا ﻢـــﯿﻠﻌﺘﻟا
République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Mohamed Seddik BenYahia, Jijel Faculté des Sciences de la Nature et de la Vie Département des Sciences de la Terre et de l’Univers ﻲﺤﯾ ﻦﺑ ﻖﯾﺪﺼﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺔﻌﻣﺎﺟ -ﺟ ــ ﻞﺠﯿ ةﺎﯿﺤﻟا و ﺔﻌﯿﺒﻄﻟا مﻮﻠﻋ ﺔﯿﻠﻛ ﻢﺴﻗ نﻮﻜﻟا و ضرﻷا مﻮﻠﻋ :
Thèse
Présentée par
BAGHDAD Abdelmalek
Pour l’obtention du diplôme de
Doctorat en Sciences
Filière : Science de la terreSpécialité : Géologie
Thème
CARACTERISATION GEOLOGIQUE, GEOTECHNIQUE ET
TECHNOLOGIQUE DES ARGILES DE LA WILAYA DE JIJEL
(ALGERIE NORD ORIENTALE)
Soutenu publiquement le Mercredi 27/09/2017, devant le jury composé de :
Président : MEBROUK .F M. C A Université Mohamed Seddik Benyahia-Jijel
Directeur de thèse : BOUABSA. L Professeur Université Badji Mokhtar- Annaba
Examinateurs : ZEHANI. F Professeur Université Mohamed Seddik Benyahia-Jijel
CHOUABBI. A Professeur Université Badji Mokhtar- Annaba BOUMEZBEUR. A Professeur Université Larbi Tébessi- Tébessa
Invité : BOUFTOUHA. Y Professeur Université Mohamed Seddik Benyahia- Jijel
i
Au terme de ce travail, qui est le résultat de quelques années de recherche menées de 2012 à 2017 avec l’encadrement et le soutien de nombreuses personnes. Il m’est agréable d’exprimer ici ma reconnaissance à tous ceux qui, d’une manière ou d’une autre, ont contribué à l’aboutissement de ce travail.
En premier lieu, j’adresse mes plus profonds remerciements et les témoignages de mes gratitudes à mon directeur de thèse Monsieur Bouftouha Youcef, professeur à l’université Mohamed Seddik Ben Yahia, qui a encadré mon parcours universitaire et qui a assuré avec son expérience et sa patience la direction de ce travail. Je lui suis extrêmement reconnaissant pour ses conseils avisés et son soutien en toutes circonstances. Je remercie également Monsieur Bouabsa Lakhdar, professeur à l’université Badji Mokhtar, Annaba, qui a accepté de s’engager dans la co-direction de cette thèse. J’associe aussi toute ma reconnaissance à Nathalie Fagel, professeure et responsable de l’Unité de Recherche : Argiles, Géochimie et Environnements sédimentaires (AGEs), Département de Géologie de l’Université de Liège, de m’avoir accepté et accueilli au sein de son laboratoire. Elle m’a guidé dans ce travail et a assuré un cadre et une ambiance académique enrichissante pendant mes séjours à Liège. Sa disponibilité, sa compétence professionnelle, sa rigueur, n’ont d’égal que la grandeur de ses qualités humaines « c’est dans la simplicité que demeure la grandeur ». Je lui exprime ma sincère gratitude.
Monsieur Frédéric Hatert, professeur et responsable du laboratoire de Minéralogie et de Cristallochimie (LMC), Département de Géologie de l’Université de Liège, pour m’avoir permis d’effectuer des analyses minéralogique par spectroscopie infrarouge (FT-IR). Qu’il trouve ici mes sincères remerciements.
Je souhaite ensuite faire part de ma gratitude envers les rapporteurs et membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont accordé à ce travail en acceptant de le lire et de l’évaluer.
Je suis très reconnaissante envers mes parents, mes frères et sœurs pour m’avoir soutenu tout le long de mon parcours universitaire et pour avoir cru en moi, essentiellement mon père qui aurait tant apprécié voir ce travail terminé. A eux je dédie cette thèse avec tout mon amour et toute ma gratitude et à la mémoire de ma mère que Dieu aie son âme en sa sainte miséricorde,
Enfin, je sais combien la présence de mon épouse et de mes enfants à mes côtés a été importante pour surmonter les moments difficiles, ils ont fait preuve de beaucoup de patience et de résignation et qui m’ont donné le courage de mener ce travail à son terme. C’est à eux que je dédie particulièrement ce mémoire.
ii
La wilaya de Jijel (NE Algérie) renferme d’importants dépôts d’argiles et de gisements de kaolin, représentant la matière première pour l’industrie des produits rouges et céramique. Cependant, l’utilisation de ces argiles dans les applications industrielles est tributaire de la connaissance de leurs propriétés physico-chimiques, minéralogiques et technologiques. C’est dans cette optique qu’un certain nombre d’échantillons représentatifs de ces dépôts argileux a fait l’objet de différents traitements et analyses. Les propriétés physiques ont été identifiées par analyse granulométrique, limites d’atterberg, MEB, calcimétrie de Bernard et masse volumique des particules solides (s). Les propriétés chimiques et minéralogiques ont été étudiées respectivement par XRF, XRD, et spectroscopie infrarouge (FT-IR).
Les résultats de différentes analyses montrent que les argiles du bassin néogène de Jijel et de Settara et les argiles sou-numidiennes de Djimla-Tamentout et Tarzoust, comportent des assemblages minéralogiques diversifiés avec une certaine abondance de quartz, de calcite, associés à de faible proportion en dolomite, plagioclase, feldspath-K. La fraction argileuse est dominée par la kaolinite et l’illite comme phase dominante, avec des proportions variables de chlorite, vermiculite, smectite et interstratifiés "10-14 Å" comme phases accessoires. Les deux premiers type de minéraux argileux sont responsable en grande partie des propriétés céramiques favorables des matériaux argileux étudiés. Les oxydes les plus abondants sont SiO2, Al2O3, CaO et
Fe2O3. La quantité de CaO dans les argiles du bassin néogène de Jijel et de Settara est très abondante (017%).
Le taux de Fe2O3 est appréciable et varie entre 19%, les autres oxydes représentent de faibles proportions (<
6%). Les propriétés physiques quant à elles montrent une granulométrie assez fine, ce qui les classe dans le groupe des argiles sableuses, avec une plasticité moyenne à élevée, et une masse volumique peu variable pour tous les échantillons étudiés.
Le kaolin traité de Tamazert est caractérisé par une concentration en minéraux argileux, quartz et feldspath-K. La fraction argileuse présente une forte teneur en kaolinite avec de l’illite. Contrairement au kaolin de Tamazert, la minéralogie du kaolin brut d’Adjarda est composé de feldspath sodique (albite) et potassique (microcline), de la muscovite, du quartz, de minéraux argileux et en trace de la calcite et de la dolomite. Les oxydes les plus dominants dans le kaolin de Tamazert sont : SiO2, Al2O3, Fe2O3 et K2O. Pour le kaolin
d’Adjarda (Chekfa), SiO2, Al2O3, K2O et Na2O sont les oxydes les plus dominants. Le kaolin de Tamazert est
moyennement plastique à plastique, pauvre en fraction sableuse et riche en fraction argileuse et limoneuse. A l’opposé, le kaolin d’Adjarda est moyennement plastique, riche en fraction sableuse et limoneuse et pauvre en fraction fine argileuse. Cette différence est liée aux différents processus d’enrichissement opérés sur le kaolin de Tamazert. Le kaolin d’Adjarda présente une meilleure aptitude à l’extrusion, contrairement au kaolin de Tamazert.
Les essais technologiques effectués sur des carreaux céramiques cuits à des températures comprises entre 800-1100°C, présentent des paramètres de cuisson (retrait linéaire, absorption d’eau et résistance à la flexion) très favorables pour un usage de ces argiles dans la fabrication des produits de terre cuite (briques et tuiles). Néanmoins, la présence de fissures observées sur les produits finis à partir de 1000°C, ne sont guère favorables pour leur usage en l’état surtout pour les argiles calcaire. On note aussi, que la présence de sulfates en faibles quantité dans quelques échantillons carbonatés conduits après cuisson à 1050°C à la formation de nodules blancs de sulfate de calcium (CaSO4) à la surface des produits.
Quelques produits cuits ont présenté un retrait à la cuisson supérieure à 10% pour des températures de 1100°C, et des pertes en poids de l’ordre de 14% en moyenne, alors pour une bonne adaptation aux normes, ces retraits peuvent être minimisés par l’ajout de quantité optimale de dégraissant ou en effectuant des mélanges ou des formulations avec d’autres matériaux argileux. Les résistances à la flexion comprises entre 6-10 Mpa pour les kaolins de Tamazert et d’Adjarda, présente un facteur favorable pour l’incorporation de ces matériaux dans le domaine de la fabrication des produits sanitaires et même des carreaux de revêtement des sols.
iii لﺟﯾﺟ ﺔﯾﻻو رﺧزﺗ قرﺷ لﺎﻣﺷ) ﻟا نﻣ ةرﺑﺗﻌﻣ بﺳاورﺑ (رﺋازﺟﻟا ﺗ ﺔﯾﻟوﻷا ةدﺎﻣﻟا لﺛﻣﺗ ﻲﺗﻟا ،نﯾﻟوﺎﻛﻟا مﺟﺎﻧﻣو ﺔﯾﻧﯾطﻟا تﺎﻌﺿو ءارﻣﺣﻟا تﺎﺟﺗﻧﻣﻟا ﺔﻋﺎﻧﺻﻟ كﯾﻣارﯾﺳﻟاو ﺎﮭﺻﺋﺎﺻﺧ ﺔﻓرﻌﻣ ﻰﻠﻋ فﻗوﺗﻣ ﺔﯾﻋﺎﻧﺻﻟا تﺎﻘﯾﺑطﺗﻟا ﻲﻓ ﺔﯾﻧﯾطﻟا داوﻣﻟا هذھ مادﺧﺗﺳا نﻛﻟ . ،ﺔﯾﺋﺎﯾﻣﯾﻛﻟا ،ﺔﯾﺋﺎﯾزﯾﻔﻟا .ﺔﯾﺟوﻟوﻧﻛﺗﻟاو ﺔﯾﻧدﻌﻣﻟا ذﺧا مﺗ ،رﺎطﻹا اذھ نﻣ ﺎﻗﻼطﻧا بﺳاورﻟا هذﮭﻟ ﺔﻠﻛﺷﻣﻟا تﺎﻧﯾﻌﻟا نﻣ ﺔﻋوﻣﺟﻣ ﺔﯾﻧﯾطﻟا تﻣﺗ ﻲﺗﻟاو تﺎﺟﻟﺎﻌﻣﻟا نﻣ ﺔﻋوﻣﺟﻣ ﺎﮭﯾﻠﻋ دودﺣ قﯾرط نﻋ ﺔﻧوﯾﻠﻟا ﺔﺟرد ،تﺎﺑﯾﺑﺣﻟا مﺟﺣ لﯾﻠﺣﺗ برﺎﺟﺗ لﻼﺧ نﻣ ﺎﮭﯾﻠﻋ فرﻌﺗﻟا مﺗ ﺔﯾﺋﺎﯾزﯾﻔﻟا صﺋﺎﺻﺧﻟا .تارﺎﺑﺗﺧﻻاو ﮭﺟﻣ ،غرﺑرﺗا ﺔﺑﻠﺻﻟا تﺎﺑﯾﺑﺣﻠﻟ ﺔﯾﻣﺟﺣﻟا ﺔﻠﺗﻛﻟاو موﯾﺳﻟﺎﻛﻟا تﺎﻧوﺑرﻛ زﯾﻛرﺗ ،ﻲﻧورﺗﻛﻟﻹا ﺢﺳﻣﻟا ر . ﺔﯾﺋﺎﯾﻣﯾﻛﻟا صﺋﺎﺻﺧﻟا ﺔﺳارد مﺗ ﺔﯾﻧﯾﺳﻟا ﺔﻌﺷﻸﻟ يروﻠﻔﻟا رادﺻﻹا فﺎﯾطﻣ قﯾرط نﻋ ﻲﻟاوﺗﻟا ﻰﻠﻋ ﺔﯾﻧدﻌﻣﻟاو (XRF) ﺔﯾﻧﯾﺳﻟا ﺔﻌﺷﻷا دوﯾﺣ و (XRD) لﯾﻠﺣﺗﻟاو ءارﻣﺣﻟا تﺣﺗ ﺔﻌﺷﻷﺎﺑ ﻲﻔﯾطﻟا (FT-IR) . لﺟﯾﺟﻟ نﯾﺟوﯾﻧﻟا ضوﺣ نﻣ ذوﺧﺄﻣﻟا نﯾطﻟا تﺎﻧﯾﻋ نأ ﺔﻔﻠﺗﺧﻣﻟا تﻼﯾﻠﺣﺗﻟا ﺞﺋﺎﺗﻧ ترﮭظأ ةرﺎطﺳﻟاو نﻣ ةذوﺧﺄﻣﻟا نﯾطﻠﻟ ﺔﻓﺎﺿإ ، ﺔﺿﻔﺧﻧﻣ بﺳﻧ ﻰﻟإ ﺔﻓﺎﺿإ ،تﯾﺳﻟﺎﻛﻟا ،زﺗراوﻛﻟا نﻣ ةرﻓو ﻊﻣ ﺔﻋوﻧﺗﻣ ﺔﯾﻧدﻌﻣ تﺎﻌﻣﺟﺗ لﻛﺷﺗ ،تزوزرﺎﺗ و توﺗﻧﻣﺎﺗ ،ﺔﻠﻣﯾﺟ ﺔﻘطﻧﻣ ﺟﻟا .ﻲﺳﺎﺗوﺑﻟا رﺎﺑﺳﻠﻔﻟاو تﯾﻣوﻟودﻟا نﻣ ﯾز ﺋ ،تﯾروﻠﻛﻟا نﻣ ﺔﺗوﺎﻔﺗﻣ بﺳﻧ ﻊﻣ ،تﯾﻟﻹاو تﯾﻧﯾﻟوﺎﻛﻟا نﻣ ﺎﺳﺎﺳأ لﻛﺷﺗﺗ ﺔﯾﻧﯾطﻟا تﺎ تﯾﺗﻛﻣﺳﻟا ،تﯾﻟوﻛﻣرﻔﻟا تﺎﻘﺑﺎطﺗﻣﻟاو (10-14 Å) روطﻛ رﯾﺑﻛ دﺣ ﻰﻟإ ﺔﻟوؤﺳﻣﻟا ﻲھ ﺔﯾﻧﯾطﻟا ندﺎﻌﻣﻟا نﻣ نﯾﻟوﻷا نﯾﻋوﻧﻟا .يوﻧﺎﺛ ﺳﺎﻛﻷا .ﺔﺳاردﻟا عوﺿوﻣ ﺔﯾﻧﯾطﻟا داوﻣﻠﻟ ﺔﯾﺗاوﻣﻟا كﯾﻣارﯾﺳﻟا صﺋﺎﺻﺧ نﻋ ﻲھ ةرﻓو رﺛﻛﻷا دﯾ 2 SiO ، 3 O 2 Al و 3 O 2 Fe ﺔﯾﻣﻛ . موﯾﺳﻟﺎﻛﻟا دﯾﺳﻛأ CaO ﻲﻓ ﺔﯾﻧﯾطﻟا داوﻣﻟا لﺟﯾﺟﻟ نﯾﺟوﯾﻧﻟا ضوﺣﻟ ةرﯾﻓو ةرﺎطﺳﻟاو ) ادﺟ 0 -17 % .( دﯾدﺣﻟا دﯾﺳﻛأ لدﻌﻣ 3 O 2 Fe نﯾﺑ ﺎﻣ حوارﺗﯾ و ﺔﻟوﺑﻘﻣ ﺔﻣﯾﻗ وذ 1 -9 ٪ ﻷا ، >) ﺔﺿﻔﺧﻧﻣ بﺳﻧ لﺛﻣﺗ ىرﺧﻷا دﯾﺳﺎﻛ 6 ٪ ﺋﺎﺻﺧﻟا رﮭظﺗ ،ىرﺧأ ﺔﯾﺣﺎﻧ نﻣ .( ص ،قﯾﻗد ﻲﺑﯾﺑﺣ عزوﺗ ﺔﯾﺋﺎﯾزﯾﻔﻟا نﻛﻣﯾ يذﻟاو ،ﺔﯾﻟﺎﻋ ﻰﻟإ ﺔطﺳوﺗﻣ ﺔﻧوﯾﻟ ﻊﻣ ،ﺔﯾﻠﻣرﻟا نﯾطﻟا ﺔﺋﻓ ﻲﻓ ﮫﻔﯾﻧﺻﺗ ﺔﯾﻣﺟﺣ ﺔﻠﺗﻛو رﯾﻐﺗﻟا ﺔﻠﯾﻠﻗ .ﺔﺳوردﻣﻟا تﺎﻧﯾﻌﻟا ﻊﯾﻣﺟﻟ زﯾﻣﺗﯾ رﯾزﺎﻣﺎﺗ ﺔﻘطﻧﻣﻟ ﺞﻟﺎﻌﻣﻟا نﯾﻟوﺎﻛﻟا ﯾزﺟﻟا .ﻲﺳﺎﺛوﺑﻟا رﺎﺑﺳﻠﻔﻟاو زﺗراوﻛﻟا ﻰﻟإ ﺔﻓﺎﺿإ ﺔﯾﻧﯾطﻟا ندﺎﻌﻣﻟا نﻣ ﻲﻟﺎﻋ زﯾﻛرﺗﺑ ﺋ تﺎ سﻛﻋ .تﯾﻠﯾﻻا ﻰﻟإ ﺔﻓﺎﺿإ تﯾﻧﻟوﺎﻛﻟا نﻣ ﺔﯾﻟﺎﻋ بﺳﻧ رﮭظﺗ ﺔﯾﻧﯾطﻟا ﺔﻘطﻧﻣﻟ مﺎﺧﻟا نﯾﻟوﺎﻛﻠﻟ ﺔﯾﻧدﻌﻣﻟا ﺔﺑﯾﻛرﺗﻟا ،رﯾزﺎﻣﺎﺗ ﺔﻘطﻧﻣ نﯾﻟوﺎﻛ ﻟا و (تﯾﺑﻟأ) يدوﺻﻟا رﺎﺑﺳﻠﻔﻟا نﻣ نوﻛﺗﯾ (ﺔﻔﻘﺷﻟا) ةدرﺎﺟﻌﻟا و ،ﺔﯾﻧﯾطﻟا ندﺎﻌﻣﻟا و زﺗراوﻛﻟا ،تﯾﻓوﻛﺳﯾﻣﻟا ،(نﯾﻠﻛورﻛﻣﻟا) ﻲﺳﺎﺛوﺑ .تﯾﻣوﻟودﻟا و تﯾﺳﻟﺎﻛﻟا ﺔﻠﯾﻠﻗ ﺔﯾﻣﻛﺑ : ﻲھ رﯾزﺎﻣﺎﺗ ﺔﻘطﻧﻣ نﯾﻟوﺎﻛ ﻲﻓ زورﺑ رﺛﻛﻷا دﯾﺳﺎﻛﻷا 2 SiO ، 3 O 2 Al ، 3 O 2 Fe و O 2 K . نﯾﻟوﺎﻛﻟ ﺔﺑﺳﻧﻟﺎﺑ ) ةدرﺎﺟﻌﻟا ،(ﺔﻔﻘﺷﻟا 2 SiO ، 3 O 2 Al ، O 2 K و O 2 Na ﻲھ ﻷا ﻟوﺎﻛ .زرﺑﻷا دﯾﺳﺎﻛ نﯾ ﺔﻧوﯾﻟ وذ رﯾزﺎﻣﺎﺗ ﺔﻘطﻧﻣ نﯾﻟوﺎﻛﻟ ﺎﻓﻼﺧ .ﻲﻣطﻟا و ﺔﯾﻠﻣرﻟا تﺎﺑﯾﺑﺣﻟا نﻣ رﯾﻘﻓ ،ﺔﯾﻟﺎﻋ ﻰﻟإ ﺔطﺳوﺗﻣ و ﺔﯾﻠﻣرﻟا تﺎﺑﯾﺑﺣﻟﺎﺑ ﻲﻧﻐﻟا و ،ﺔﻧوﯾﻠﻟا طﺳوﺗﻣﻟا ةدرﺎﺟﻌﻟا .ﺔﻘﯾﻗدﻟا ﺔﯾﻧﯾطﻟا تﺎﺑﯾﺑﺣﻟا نﻣ رﯾﻘﻔﻟا و ﻰﻣطﻟا ا رﺑﻋ ﮫﺗﯾﻘﻧﺗ مﺗ رﯾزﺎﻣﺎﺗ ﺔﻘطﻧﻣ نﯾﻟوﺎﻛ نوﻛﺑ ﺎﺳﺎﺳأ طﺑﺗرﻣ فﻼﺗﺧﻻا اذھ رورﻣﻟ .زﯾﻛرﺗﻟا و بﯾﺻﺧﺗﻟا لﺣارﻣ فﻠﺗﺧﻣﺑ رﺑﺗﻌﯾ ﺔﻘطﻧﻣ نﯾﻟوﺎﻛ سﻛﻌﺑ لﯾﻛﺷﺗﻟا ﻰﻠﻋ ﺔﯾﻠﺑﺎﻗ رﺛﻛﻷا ةدرﺎﺟﻌﻟا .رﯾزﺎﻣﺎﺗ ﺔﻘطﻧﻣ نﯾﻟوﺎﻛ نﯾﺑ حوارﺗﺗ ةرارﺣ تﺎﺟرد ﻲﻓ ﺎﮭﯾﮭط مﺗ ﻲﺗﻟا كﯾﻣارﯾﺳﻟا طﻼﺑ ﻰﻠﻋ تﻣﺗ ﻲﺗﻟا ﺔﯾﺟوﻟوﻧﻛﺗﻟا تارﺎﺑﺗﺧﻻا 800 -1100 ،ﺔﯾوﺋﻣ ﺔﺟرد شﺎﻣﻛﻧا) ﻲﮭط تادادﻋإ زرﺑﺗ ﺔﯾﻧﯾطﻟا داوﻣﻟا هذھ مادﺧﺗﺳا ﺔﯾﻧﺎﻛﻣإ ﻲﻓ رﯾﺑﻛ دﺣ ﻰﻟإ ﺔﻟوﺑﻘﻣ (ﻲطﻠﻟ ﺔﻣوﺎﻘﻣ و ءﺎﻣﻟا صﺎﺻﺗﻣا ،ﻲطﺧ نﻣ ﺎﻗﻼطﻧا ﺔﯾﺋﺎﮭﻧﻟا تﺎﺟﺗﻧﻣﻟا ﻰﻠﻋ ﺔظﺣﻼﻣﻟا تﺎﻘﻘﺷﺗﻟا ضﻌﺑ دوﺟو نﻛﻟ .(دﯾﻣرﻘﻟا و بوطﻟا) نﯾطﻟا نﻣ تﺎﺟﺗﻧﻣ ﺔﻋﺎﻧﺻ ﻲﻓ 1000 ﺎﮭﺗﻟﺎﺣ ﻲﻓ ﺎﮭﻣادﺧﺗﺳﻻ دﺎﻛﻟﺎﺑ ﺔﯾﺗاوﻣ تﺳﯾﻟ ،ﺔﯾوﺋﻣ ﺔﺟرد ، دوﺟو نأ ﺎﺿﯾأ ظﺣﻼﯾو .ﺔﯾﺳﻠﻛﻟا ﺔﯾﻧﯾطﻟا داوﻣﻠﻟ ﺔﺑﺳﻧﻟﺎﺑ ﺔﺻﺎﺧ دﻧﻋ ﻲﮭطﻟا دﻌﺑ يدؤﺗ ﺔﯾﺳﻠﻛﻟا نﯾطﻟا تﺎﻧﯾﻋ ضﻌﺑ ﻲﻓ ﺔﻠﯾﻠﻗ تﺎﯾﻣﻛﺑ تﺎﺗﯾرﺑﻛﻟا 1050 نﻣ ءﺎﺿﯾﺑ تادﯾﻘﻋ لﯾﻛﺷﺗﻟ ،ﺔﯾوﺋﻣ ﺔﺟرد ) موﯾﺳﻟﺎﻛﻟا تﺎﺗﯾرﺑﻛ 4 CaSO .تﺎﺟﺗﻧﻣﻟا ﺢطﺳ ﻰﻠﻋ ( زوﺎﺟﺗ ﻲطﺧ شﺎﻣﻛﻧا ﻲﮭطﻟا دﻌﺑ داوﻣﻟا ضﻌﺑ ترﮭظأ 10 ٪ ةرارﺣ ﺔﺟردﻟ 1100 ﻲﻟاوﺣﺑ نزوﻠﻟ نادﻘﻓو ،ﺔﯾوﺋﻣ ﺔﺟرد 14 ٪ ﻲﻓ مادﺧﺗﺳا وأ لﻣرﻟا نﻣ ﺔﺳوردﻣ ﺔﯾﻣﻛ ﺔﻓﺎﺿﺈﺑ تﺎﺷﺎﻣﻛﻧﻻا هذھ نﻣ لﯾﻠﻘﺗﻟا نﻛﻣﯾ ،رﯾﯾﺎﻌﻣﻟا ﻊﻣ دﯾﺟ فﯾﻛﺗ لﺟا نﻣ و اذإ ،طﺳوﺗﻣﻟا ﻣ .ىرﺧأ ﺔﯾﻧﯾط داوﻣ نﻣ تﺎﺑﯾﻛرﺗ وأ طﯾﻠﺧ نﯾﺑ حوارﺗﺗ ﻲطﻟا ﺔﻣوﺎﻘ 6 -10 ﺔﻘطﻧﻣ نﯾﻟوﺎﻛﻟ لﺎﻛﺳﺎﺑ ﺎﻐﯾﻣ لﺛﻣﺗ ،ةدرﺎﺟﻌﻟا و رﯾزﺎﻣﺎﺗ ﺔﯾﺣﺻﻟا تﺎﺟوﺗﻧﻣﻟا ﺔﻋﺎﻧﺻ نادﯾﻣ ﻲﻓ داوﻣﻟا هذھ جاردإ لﺟا نﻣ ﺎﻣﺋﻼﻣ ﻼﻣﺎﻋ .تﺎﯾﺿرﻷا طﻼﺑ ﻰﺗﺣو : ﺔﯾﻟﻻدﻟا تﺎﻣﻠﻛﻟا ،رﺋازﺟﻟا ،لﺟﯾﺟ ،نﯾطﻟا تﯾﻠﯾأ ،تﯾﻧﻟوﺎﻛ كﯾﻣارﯾﺳ ،ﺔﯾﻧدﻌﻣﻟا ﺔﺑﯾﻛرﺗﻟا ، .
iv
The wilaya of Jijel (NE Algeria) contains important clays deposits and kaolin, representing the raw material for the red and ceramics industry. The use of these clays in industrial applications depends on the knowledge of their physico-chemical, mineralogical and technological properties. A number of representative samples of these clay deposits have been analyzed for their physical (grain-size analysis, Atterberg limits, SEM, calcimetry of Bernard and density of solid particles), chemical (major elements by X-Ray Fluorescence) and mineralogical (X-Ray Diffraction, infrared spectroscopy) properties.
The results of various analyzes show that the clays of the Neogene basin of Jijel and Settara and the sub-numidian clays of Djimla-Tamentout and Tarzoust, contain diversified mineralogical assemblages with a certain abundance of quartz, calcite, associated with a small proportion dolomite, plagioclase and feldspar-K. The clay fraction is dominated by kaolinite and illite as the dominant phase, with varying proportions of chlorite, vermiculite, smectite and interstratified "10-14 Å" as accessory phases. The first two types of clay minerals are largely responsible for the favorable ceramic properties of the clay materials studied.
The most abundant oxides are SiO2, Al2O3, CaO and Fe2O3. The amount of CaO in the clays of the Neogene
basin of Jijel and Settara is very abundant (017%). The Fe2O3 content is appreciable and varies between
19%, the other oxides represent small proportions (<6%). Physical properties show a fine particle size, which classifies them in the group of sandy clays, with moderately plastics to plastics, and a little variable density for all the samples studied.
Treated kaolin of Tamazert is characterized by a concentration of clay minerals, quartz and feldspar-K. The clay fraction has a high content of kaolinite with illite. Contrary to the kaolin of Tamazert, the mineralogy of the raw kaolin of Adjarda is composed of feldspar sodium (albite) and potassium (microcline), muscovite, quartz, clay minerals and traces of calcite and dolomite. The most dominant oxides in Tamazert kaolin are: SiO2, Al2O3, Fe2O3 et K2O. For Adjarda kaolin (Chekfa), SiO2, Al2O3, K2O and Na2O are the most dominant
oxides.
The Tamazert kaolin is medium plastic to plastic, poor in sandy fraction and rich in clay and silty fraction. In contrast, Adjarda kaolin is moderately plastic, rich in sandy and silty fraction and poor in fine clay fraction. This difference is related to the different enrichment processes performed on the Tamazert kaolin. The kaolins of Adjarda present a better aptitude for extrusion, contrary to Tamazert kaolin.
The technological tests carried out on tiles ceramic, firing in the range of 8001100°C, presents a very favorable firing parameters (linear shrinkage, loss of weight, water absorption and flexural strength), for use of these clays in the manufacture of clay products (bricks and tiles). Nevertheless, the presence of cracks observed on the finished products from 1000°C, are hardly favorable for their use in the state especially for the clay-limestone. It is also noted that, the presence of sulphates in small quantities in a few carbonated samples, leads after firing at 1050°C, to the formation of white grains of calcium sulphate (CaSO4) on the
surface of the products.
Some firing products, showed a firing shrinkage above 10% at 1100°C, and weight losses of around 14% on average. So for a good adaptation to the norms, these shrinkages can be minimized by the addition of optimum amount of degreaser or by mixing or formulations with other clay materials. The flexural strengths between 6-10 MPa for the Tamazert and Adjarda kaolins are a favorable factor for the incorporation of these materials in the field of the manufacture sanitary products and even floor covering tiles.
v
Remerciements ... i
Résumé ... ii
ﺺــﺨﻠﻤﻟا ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des figures ... viii
Liste des tableaux ... xi
INTRODUCTION GENERALE ... 1
1. Introduction ... 1
2. Problématique et objectifs de l’étude ... 3
3. Plan de travail ... 4
Chapitre I. Synthèse bibliographique ... 6
I.1. Introduction ... 6
I.2. Définition, origine, structure et classification ... 6
I.2.1. Définition ... 6
I.2.2. Origine des minéraux argileux ... 6
I.2.3. Minéralogie, structure et propriétés des minéraux argileux ... 8
I.2.4. Classification des argiles ... 9
I.3. Principaux usages des argiles : Application dans le domaine de la céramique ... 19
I.3.1. Exigences technologiques ... 21
I.3.2. Procédés de fabrication ... 25
I.3.3. Phénomènes de transformations physico-chimiques lors de la cuisson ... 26
I.3.4. Evolution de la texture des produits céramiques au cours de la cuisson ... 27
I.4. Conclusion ... 27
CHAPITRE II. CONTEXTE GEOGRAPHIQUE ET GEOLOGIQUE DE LA REGION D’ETUDE . 29 II.1. Introduction ... 29
II.2. Cadre naturel de la région d’étude ... 29
II.2.1. Plan de situation ... 29
II.2.2. Le relief ... 29
II.2.3. Aperçu climatique ... 30
II.2.4. Population ... 31
II.2.5. Végétation ... 31
II.2.6. L’hydrographie ... 32
II.2.7. Carte des pentes ... 32
II.3. CADRE GEOLOGIQUE REGIONAL ... 34
II.3.1. Introduction ... 34
II.3.2. Les grands ensembles structuraux des Maghrébides en Algérie ... 35
II.3.3. Aspect structural ... 41
II.4. CADRE GEOLOGIQUE LOCAL ... 43
II.1.1. Lithologie des formations de la partie occidentale du massif de la Petite Kabylie ... 43
II.5. Aspect structural ... 53
CHAPITRE III. MATÉRIELS ET MÉTHODES D’ETUDES ... 54
III.1. Introduction ... 54
III.2. Les matériaux argileux étudiés ... 54
III.2.1. Matériaux argileux des bassins néogènes de Jijel et de Settara (marnes post-nappes) ... 55
III.2.2. Matériaux argileux des formations sous-numidiennes ... 58
III.2.3. Kaolins de Tamazert (El-Milia) et d’Adjarda (Chekfa) ... 61
vi
III.3.3. Mesure du taux des carbonates (calcimétrie) ... 74
III.3.4. Microscopie Electronique à Balayage (MEB) ... 75
III.3.5. Analyse granulométrique ... 76
III.3.6. Masse volumique des particules solides des sols (Méthode du pycnomètre à eau) NF P94-054 ... 77
III.3.7. Limites d’Atterberg (NF P 94-051) ... 77
III.3.8. Essai au bleu de méthylène d’un sol (NF P94-068) ... 79
III.4. Essais céramique ... 79
III.4.1. Préparation de la matière première ... 80
III.4.2. Le façonnage ... 80
III.4.3. Le séchage ... 80
III.4.4. La cuisson ... 80
CHAPITRE IV. CARACTERISATION MINERALOGIQUE, GEOCHIMIQUE ET GEOTECHNIQUE DES MATERIAUX ARGILEUX DE LA WILAYA DE JIJEL ... 85
IV.1. Introduction ... 85
IV.2. Matériaux argileux du bassin néogène de Jijel ... 85
IV.2.1. Etude minéralogique par DRX... 85
IV.2.2. Spectroscopie infrarouge (FT-IR) ... 88
IV.2.3. Composition Chimique... 89
IV.2.4. Analyse granulométrique ... 90
IV.2.5. Evaluation de la plasticité ... 93
IV.2.6. Caractérisation morphologique ... 94
IV.2.7. Evaluation de l’aptitude des matériaux argileux étudiés aux applications industriels ... 95
IV.3. Matériaux argileux des sites de Djimla-Tamentout et Tarzoust (argiles sous-numidiennes) ... 99
IV.3.1. Etude minéralogique par DRX... 99
IV.3.2. Minéralogie par spectroscopie infrarouge FT-IR ...101
IV.3.3. Composition Chimique...103
IV.3.4. Analyse granulométrique ...104
IV.3.5. Evaluation de la plasticité ...106
IV.3.6. Observation par microscope à balayage électronique « MEB » ...109
IV.4. Matériaux argileux du site de Settara ...110
IV.4.1. Composition minéralogie par DRX...111
IV.4.2. Composition chimique ...113
IV.4.3. Minéralogie par spectroscopie infrarouge FT-IR ...115
IV.4.4. Analyse granulométrique ...117
IV.4.5. Evaluation de la plasticité ...119
IV.4.6. Examen et analyse des échantillons d’argile de Settara par microscopie électronique à balayage (MEB)……...121
IV.5. KAOLINS DES SITES DE TAMAZERT (EL-MILIA) ET D’ADJERDA (CHEKFA) ...123
IV.5.1. Etude minéralogique par DRX...123
IV.5.2. Composition Chimique...126
IV.5.3. Minéralogie par spectroscopie infrarouge FT-IR ...128
IV.5.4. Analyse granulométrique ...130
IV.5.5. Evaluation de la plasticité ...132
IV.5.6. Observation et analyse par microscopie électronique à balayage (MEB) ...134
IV.6. Conclusion ...136
CHAPITRE V. ETUDE DES PROPRIETES CERAMIQUES DES MATERIAUX ARGILEUX ...139
V.1. Introduction ...139
V.2. Fabrication des carreaux céramiques ...139
V.3. Caractéristiques technologiques ...140
V.3.1. Coloration des produits ...140
V.3.2. Retrait linéaire à la cuisson ...141
V.3.3. Perte en poids à la cuisson ...144
vii
V.4. Minéralogie des carreaux après cuisson ...155
V.4.1. Argiles non-carbonatées (de la région de Djimla et Tarzoust) ...157
V.4.2. Argiles riches en carbonate (argiles du bassin néogène de Jijel et de Settara)...160
V.4.3. Les kaolins des gisements de Tamazert et Adjarda ...164
V.5. Conclusion ...167
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ...169
1. Les matériaux argileux du bassin néogène de Jijel et de Settara ...169
2. Les matériaux argileux de Djimla-Tamentout et Tarzoust (argiles sous-numidiennes) ...171
3. Kaolins des gisements de Tamazert (El-Milia) et d’Adjarda (Chekfa) ...172
4. Secteurs de valorisation et perspectives...174
Références bibliographiques ...177
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Distribution géographique du processus d’altération en fonction de la latitude (Velde et Meunier,
2008). ... 7
Figure 2: Influence de la nature de la roche-mère sur la composition des minéraux secondaires (Velde, 1992). ... 8
Figure 3 : Assemblage tétraédrique et octaédrique (d’après Eslanger & Peaver 1988). ... 9
Figure 4: Représentation schématique d’un feuillet de phyllosilicate 2:1 ... 10
Figure 5: Structure d’un feuillet de kaolinite (Cyril, 2005)... 11
Figure 6: Structure de l’illite (Grim, 1962). ... 12
Figure 7: Structure d’une smectite et DRX de lame orientée correspondant (Bleu : DRX sec à l’air, rouge : DRX après solvatation à l’éthylène glycol) (Caner, 2011). ... 13
Figure 8: Différents états d’hydratation et de solvatation à l’éthylène glycol ... 14
Figure 9: Structure d’une chlorite et DRX de lame orientée correspondant. Les rapports d’intensité des raies 00ℓ sont fonction de la teneur en fer du feuillet (Caner, 2011). ... 15
Figure 10 : Structure de la chlorite (Grim, 1962). ... 16
Figure 11: Différentes possibilités d’interstratification au sein des phyllosilicates ... 17
Figure 12: Variation des proportions de l’illite et de la smectite dans un interstratifié ... 18
Figure 13 : Domaines d’application des argiles. ... 19
Figure 14: Secteurs d’application du kaolin ... 20
Figure 15: Carte de localisation de la zone d’étude. ... 30
Figure 16: Carte des précipitations annuelles moyennes de l’Est Algérien ... 31
Figure 17 : Carte du réseau hydrographique de la wilaya de Jijel. ... 32
Figure 18 : Carte des classes de pentes de la wilaya de Jijel. ... 33
Figure 19: Schéma géologique de la chaine des Maghrébides (d’après Durand Delga, ... 34
Figure 20: Carte géologique de la petite Kabylie (Extrait de la carte structurale au 1/500 000ème de la chaîne alpine d’Algérie orientale et des confins Algéro-tunisiens, Vila, 1980) ... 36
Figure 21: Carte géologique de la Wilaya de Jijel (Extrait de la carte structurale au 1/500 000ème de la chaîne alpine d’Algérie orientale et des confins Algéro-tunisiens, Vila, 1980) ... 45
Figure 22: Photos illustrant les micro-plissements caractérisant le flysch massylien. ... 48
Figure 23: Images illustrant l’aspect général des formations molassiques de l’Oligo-Miocène Kabyle. ... 51
Figure 24: Carte de localisation de la zone d’étude et carte géologique (d’après Raoult, 1982)... 55
Figure 25: Vue panoramique des principaux dépôts d’argile du bassin néogène de Jijel. (A) Photo des dépôts marneux de la région d’Azaouan (Emir Abdelkader). (B) Photographie d’argiles gris-bleu de la région de Taher (Bordj el Koudia), site qui a fait l’objet d’une exploitation durant les années 80 comme matière première de fabrication de brique rouge (briqueterie). ... 56
Figure 26: Colonne lithologique du flysch Numidien (d’après H. Djellit, 1987) ... 59
Figure 27: Photos illustrant les affleurements des formations argileuses sous-numidiennes au niveau de la région de Djimla et Tamentout. ... 60
Figure 28: Vue des trois corps, constituant le gisement de Tamazert ... 62
Figure 29: Images illustrant l’exploitation et le traitement du kaolin de Tamazert. a) Extraction du kaolin au niveau du corps central. b) Stockage du kaolin au niveau de l’usine pour traitement et d’enrichissement. .. 63
Figure 30: Processus d’enrichissement et de traitement du Kaolin de Tamazert (SOALKA). ... 64
Figure 31: Schéma de la méthodologie utilisée. ... 66
Figure 32: Schéma du principe de la diffraction des rayons X par une famille... 67
Figure 33: Diffractomètre de type Bruker D8 Advance (AGEs, ULg) ... 68
Figure 34: Schéma de préparation du matériau argileux pour analyse par DRX. ... 69
ix
Figure 36: Microscopie Electronique à Balayage de type Philips XL-30 ESEM-FEG ... 75
Figure 37: Appareil de métallisation de type "SPI-Module Carbon Coaster" ... 76
Figure 38: Appareil de Casagrande (NF P-94-051) ... 78
Figure 39: Système de chargement dans la mesure de la résistance à la flexion. ... 84
Figure 40: Spectres de diffraction de rayon X : (A) Poudre totale des échantillons étudiés ; (B) Poudre totale échantillon T03 ; (C) fraction argileuse échantillon T03 avec (N) échantillon non traité ; (EG) traitées avec de l’éthylène glycol ; (H) chauffé à 500°C. ... 87
Figure 41: Composition minéralogique des échantillons étudiés par diffraction des rayons X ... 88
Figure 42: Spectres infrarouges, obtenus sur les échantillons T03 et E04. ... 89
Figure 43: Courbes granulométrique des échantillons T1, T3, H02, H03, E01, E03, K01et K03... 92
Figure 44: Position des échantillons étudiés dans le diagramme ternaire de McManus (1988) ... 93
Figure 45: Position des formations argileuses analysées sur le diagramme de ... 94
Figure 46: Planche illustrant une vue au MEB de l’argile de l’échantillon E02 (K : Kaolinite, I : Illite, Chlo : Chlorite, Is : Interstatifié) ... 95
Figure 47: Position des matériaux argileux étudiés sur les diagrammes de classification des matériaux argileux étudiés. A: Composition minéralogique de la fraction argileuse, d’après le diagramme ternaire: kaolinite/illite/chlorite; B: Diagramme ternaire d’après Winkler (1954); C: Diagramme ternaire d’après Strazzera et al. (1997); D: Diagramme ternaire d’après Fiori et al. (1989); E: Evaluation du comportement à l’extrusion d’après Marsigli and Dondi (1997). ... 98
Figure 48: Spectres de diffraction de rayon X : (a) Poudre totale de l’échantillon étudiés D01 ; (b) fraction argileuse échantillon D01 avec (N) échantillon non traité ; (EG) traitées avec de l’éthylène glycol ; (H) chauffé à 500°C. ...100
Figure 49: Spectres FT-IR représentatifs de l’échantillon D02 et M01. ...102
Figure 50: Position des échantillons argileux de Djimla-Tamentout et tarzoust sur le diagramme ternaire de Shepard (1954). ...106
Figure 51: Position des échantillons de Djimla-Tamentout et de Boutias dans le diagramme...107
Figure 52: Corrélation de l’indice de plasticité et la valeur du bleu du méthylène (IP-VBS). ...108
Figure 53 : Evaluation de l’extrusion à partir des limites d’atterberg (Marsigli et Dondi, 1997). ...109
Figure 54: Image MEB des échantillons argileux d’El-Milia (Tarzoust) M02 (a et b)...110
Figure 55: Spectres de diffraction de rayon X : (A) Poudre totale de l’échantillon ST06 ; (B) fraction argileuse échantillon ST06 avec (N) échantillon non traité ; (EG) traité avec de l’éthylène glycol ; (H) chauffé à 500°C. ...113
Figure 56: Spectres FT-IR représentatifs de l’échantillon ST5 et S03...116
Figure 57: Répartition granulométrique des matériaux argileux des sites de Settara, selon le diagramme ternaire de Shepard (1954). ...118
Figure 58: Position des échantillons argileux de Settara sur le diagramme de plasticité ...119
Figure 59: Corrélation de l’indice de plasticité (IP) en fonction de la fraction < à 2µm et de la valeur du bleu de méthylène (VBS) pour les sites 1 et 2 de Settara. ...120
Figure 60: Evaluation de l’extrusion des échantillons de la région de Settara selon ...121
Figure 61: Image MEB des échantillons argileux de Settara ST6 (a, b et c) et S02 (d, e et f). ...122
Figure 62: Spectres de diffraction de rayon X de l’échantillon de kaolin KT3 (gisement de Tamazert) : (A) Poudre totale; (B) fraction argileuse avec (N) échantillon non traité ; (EG) traitées avec de l’éthylène glycol ; (H) chauffé à 500°C. ...125
Figure 63 : Spectres de diffraction de rayon X de l’échantillon de kaolin C01 (gisement d’Adjarsa) : (A) Poudre totale; (B) fraction argileuse avec (N) échantillon non traité ; (EG) traitées avec de l’éthylène glycol ; (H) chauffé à 500°C. ...126
Figure 64: Spectres FT-IR représentatifs des échantillons de Kaolin KT2, KT3 ...129
x
Figure 66: Position des échantillons de Kaolin (KT2, KT3, C01 et C02) de Tamazert et Adjarda dans le
diagramme de plasticité (d’après Holtz et Kovacs, 1981). ...133
Figure 67: Evaluation de l’extrusion à partir des limites d’atterberg (Marsigli et Dondi, 1997). ...134
Figure 68: Morphologie d’une kaolinite contenue dans l’échantillon de kaolin KT3 (Tamazert). ...135
Figure 69: La morphologie d’une kaolinite contenue dans l’échantillon ...136
Figure 70 : Coloration des carreaux céramiques après cuisson à température finale 1100°C. ...141
Figure 71 : Variation du retrait linéaire des carreaux céramiques en fonction de la température de cuisson. a : site du bassin néogène de Jijel ; b : site Djimla-Tamentout et Tarzoust ; c : kaolin de Tamazert et d’Adjarda ; d : site de Settara. ...143
Figure 72 : Perte en poids des carreaux céramiques en fonction de la température de cuisson. a : site du bassin néogène de Jijel ; b : site Djimla-Tamentout et Tarzoust ; c : kaolin de Tamazert et d’Adjarda ; d : site de Settara. ...146
Figure 73 : Résultats d’absorption d’eau des carreaux céramiques étudiés en fonction de la température de cuisson. a : échantillon du bassin néogène de Jijel ; b : échantillon de site de Djimla-Tamentout et Tarzoust ; c : kaolin de Tamazert et d’Adjarda ; d : échantillon site de Settara. ...148
Figure 74 : Masse volumique apparente des carreaux céramiques en fonction de la température de cuisson des matériaux argileux étudiés. a : site du bassin néogène de Jijel ; b : site Djimla-Tamentout et Tarzoust ; c : kaolin de Tamazert et d’Adjarda ; d : site de Settara. ...151
Figure 75 : Résultats de la résistance à la flexion des carreaux céramiques en fonction de la température de cuisson des matériaux argileux étudiés. a : argile du bassin néogène de Jijel ; b : site de Djimla-Tamentout et Tarzoust ; c : kaolin de Tamazert et d’Adjarda ; d : argile de Settara...154
Figure 76 : Transformations minéralogique des matériaux argileux de Tarzoust et Djimla (M01 ...158
Figure 77 : Les spectres de DRX des échantillons argileux M01 et D04 à différentes températures de cuisson (Q : quartz, K : kaolinite, I : illite, Cl : chlorite, P : plagioclase, FK : feldspath-K, Ph : phyllosilicates, Sp : spinelle, Cr : cristobalite, Di : diopside, R : rhodochrosite, Mu : mullite, H : hématite). ...159
Figure 78 : Transformations minéralogiques des matériaux argileux du bassin néogène ...161
Figure 79 : Spectres de la DRX des échantillons argileux des bassins néogène de Jijel et Settara (T01, S03 et H03) à différentes températures de cuisson (Q : quartz, K : kaolinite, I : illite, P : plagioclase, FK : feldspath-K, CO : chaux, Ph : phyllosilicates, Sp : spinelle, Cr : cristobalite, Di : diopside, G : géhlenite, Mu : mullite, H : hématite). ...162
Figure 80 : Evolution de la silice dans les échantillons étudiés en fonction de l’évolution de la température, en nombre de coups (cps). ...163
Figure 81 : Spectres DRX des kaolins de Tamazert et Adjarda (KT3 et C02) à différentes températures de cuisson (Q : quartz, K : kaolinite, I : illite, M : muscovite, P : plagioclase, FK : feldspath-K, Ph : phyllosilicates, Sp : spinelle, Cr : cristobalite, Di : diopside, G : géhlinite, Mu : mullite, H : hématite). ...165
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LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Classification des phyllosilicate 2:1 (McKenzie, 1975 et Brindley, 1966)... 16
Tableau 2: Principales espèces de minéraux argileux suivant leur équidistance basale. ... 17
Tableau 3: Caractéristiques et utilisation des céramiques traditionnelles. ... 21
Tableau 4 : Seuils granulométriques optimaux des matériaux en céramique... 22
Tableau 5: Les principales conséquences liées à la minéralogie de l’argile ... 23
Tableau 6: Limites admissibles d’utilisation des argiles en céramique ... 24
Tableau 7: Statistiques relatives au facteur de pente. ... 33
Tableau 8: Sites d’échantillonnage des matériaux argileux (bassin néogène de Jijel et Settara). ... 57
Tableau 9 : Sites d’échantillonnage des matériaux argileux des argiles sous numidiennes. ... 60
Tableau 10: Sites d’échantillonnage des Kaolins de Tamazert et Adjarda. ... 65
Tableau 11: Position des raies (001 en Å) des principaux minéraux argileux. ... 70
Tableau 12: Principaux minéraux déterminables dans les spectres des poudres (Thorez, 1976). ... 71
Tableau 13: Composition minéralogique des matériaux argileux du bassin néogène de Jijel. ... 86
Tableau 14: Composition chimique, (en % en poids des oxydes) des matériaux argileux ... 91
Tableau 15: Distribution des particules solides, limites d’atterberg, pourcentage de CaCO3 et masse volumique des particules solides des échantillons étudiés. ... 92
Tableau 16 : Composition minéralogique des matériaux argileux des sites de Tarzoust... 99
Tableau 17: Positions des bandes IR des échantillons D02 et M01. ...103
Tableau 18: Composition chimique des matériaux argileux de Djimla-Tamentout ...104
Tableau 19: Granulométrie, limites d’atterberg, valeur au bleu de méthylène (VBS) et masse volumique des particules solides des échantillons étudiés, des sites de Tarzoust et Djimla. ...105
Tableau 20: Composition minéralogique des matériaux argileux des deux sites de Settara. ...112
Tableau 21: Résultats des analyses chimiques des matériaux argileux des sites de Settara. ...114
Tableau 22: Positions des bandes IR et groupement fonctionnels correspondants observés pour les échantillons argileux ST5 et S03. ...117
Tableau 23: Granulométrie, limites d’atterberg et masse volumique des particules solides ...118
Tableau 24: Composition minéralogique des kaolins des gisements de Tamazert ...124
Tableau 25: Composition chimique, (en % en poids des oxydes) des kaolins de Tamazert ...127
Tableau 26: Positions des bandes IR et groupement fonctionnels correspondants observés pour les kaolins étudiés (KT2, KT3 et C02). ...130
Tableau 27: Granulométrie, limites d’atterberg, valeur du bleu de méthylène et masse volumique des particules solides des échantillons de kaolins des gisements de Tamazert et d’Adjarda. ...131
Tableau 28 : Coloration des produits de cuisson en fonction de la température ...140
Tableau 29 : Retrait à la cuisson des carreaux céramiques des différents matériaux argileux étudiés. ...144
Tableau 30 : Perte en poids à la cuisson des carreaux céramiques. ...147
Tableau 31 : Absorption d’eau des carreaux céramiques des matériaux argileux étudiés. ...150
Tableau 32 : Masse volumique apparente des carreaux céramiques des matériaux argileux étudiés. ...152
Tableau 33 : Résistance à la flexion des carreaux céramiques des matériaux argileux étudiés. ...155
Tableau 34 : Liste et abréviation des minéraux primaires et néoformés, leurs formules chimiques et la valeur des pics caractéristiques par DRX. ...156
1
INTRODUCTION GENERALE
1. Introduction
L’argile fut, pendant la préhistoire, le matériau le plus anciennement utilisé par l’homme. Elle est nécessaire pour la fabrication des objets utilisés dans la vie quotidienne. Du point de vue géologique, l’argile est une roche sédimentaire meuble, composée pour une large part de minéraux spécifiques, aluminosilicatés plus ou moins hydrates, eux-mêmes nommés argiles. Les argiles occupent une grande place dans la recherche scientifique. Elles peuvent donner des indications précieuses sur les milieux de dépôts et les paléoclimats (Duchaufour, 1984 ; Akodad, 1994). Les argiles, notamment celles qui sont riches en SiO2 et Al2O3, connaissent un nouvel essor dans la construction, la céramique industrielle et artisanale, l’industrie pharmaceutique et la poterie.
La majorité des produits céramiques sont fabriquées à base des matériaux argileux. Ils constituent souvent des mélanges naturels complexes de minéraux dont la granulométrie et les propriétés physico-chimiques sont très variables (Strazzera et al., 1997; Kabre et al., 1998; Celik, 2010; Ngun et al., 2011; Njoya et al., 2012). La qualité du produit céramique fini dépend de plusieurs paramètres qui sont liés principalement à la nature des matières premières utilisées et au comportement pendant les différentes étapes de la fabrication. La majorité des produits céramiques sont obtenus par frittage, généralement entre 900 et 1200°C.
L’étape du frittage est liée à la composition de la matière première, elle s’accompagne de transformations microstructurales des minéraux initiaux en fonction de la température et du temps de cuisson (Monteiro and Vieira, 2004; Djangang et al., 2008). Ces matériaux subissent des transformations physico-chimiques qui entrainent à la fois une modification de la structure cristalline des différentes phases (deshydroxylation, amorphisation, recristallisation, décarbonatation, etc.) et une modification de la microstructure du mélange (distribution et orientation des pores, grossissement des grains ou des cristaux, etc.). Ces transformations s’accompagnent aussi d’une modification des propriétés mécaniques (Jordan et al., 2008). Ce paramètre est important car les propriétés d’usage de nombreux matériaux céramiques issus de matières premières argileuses sont souvent liées à leur résistance mécanique en compression (briques, sanitaires, etc.) ou en flexion (tuiles, carreaux, vaisselle, etc.). Il s’agit de processus complexes, difficiles à appréhender en raison du caractère progressif et/ou transitoire de certaines transformations. L’étude et le suivi du frittage sont importants pour déterminer la température optimale pour atteindre la densification souhaitée. Actuellement, avec l’augmentation du prix de
2
l’énergie, la tendance des céramistes est de réduire au maximum la durée et la température du frittage des produits.
Dans la wilaya de Jijel, les terres cuites à base d’argile, sont essentiellement utilisées pour la confection des matériaux de construction traditionnelle et moderne (briques, tuiles, carreaux, sanitaire) ainsi que pour la confection de nombreux articles de poterie traditionnelle. La wilaya de Jijel présente d’importants réserves d’argile pouvant assurer totalement ou partiellement l’alimentation d’une industrie céramique.
En Algérie, la législation minière, notamment la loi de 1984 (Loi n° 84-06 du 7 janvier 1984 relative aux activités minières) maintenait la compétence pratiquement exclusive de l’état par l’intermédiaire de sociétés nationales publiques, pour toute activité de recherche ou d’exploitation. Elle excluait toute concession ou exploitation des gisements découverts à une entreprise étrangère même en cas d’association avec une entreprise publique. Le caractère quasiment monopolistique, restrictif et décourageant pour tout investisseur étranger selon la loi de 1984 a donc conduit le législateur algérien à l’abroger.
Pour conserver son patrimoine naturel exceptionnel et exploiter durablement ses ressources minérales, l’Algérie a publié, en janvier 2001, un nouveau code minier (Loi n° 01-10 du 03 juillet 2001 portant loi minière), qui vise d’une part, à attirer les investisseurs, et à limiter l’impact négatif des activités minières sur l’environnement. Il intervient dans un contexte de libéralisation de l’ensemble des activités économiques et industrielles avec la mise en place dans un délai maximum de deux années, de deux organes administratifs chargés d’accompagner la mise en œuvre de la loi minière à savoir : d’une part, l’Agence nationale du patrimoine minier (ANPM) chargée de la gestion des titres miniers, du cadastre minier et de la promotion de l’activité minière et, d’autre part, l’Agence nationale de la géologie et du contrôle minier (ANGCM) chargée du contrôle technique et de l’art minier et de la protection de l’environnement. Cette loi a été révisée en 2003, 2005, 2008 et 2014 avec la création de L’Agence Nationale des Activités Minières (ANAM).
Près de quinze ans après cette promulgation du code minier, on constate que la quasi-totalité des investissements des sociétés minières nationales ou multinationales œuvrant en Algérie est orientée vers les métaux de base et les substances minérales précieuses. La filière de la céramique, pourtant très prometteuse et qui utilise, comme matières premières, les substances minérales industrielles (peu exploitées et faiblement étudiées), compte parmi les secteurs les moins développés et/ou inexistants dans la majeure partie du pays.
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Les travaux de recherche et de prospection sur les substances utiles en Algérie ont débuté en 1969. Durant cette période, les géologues de la firme BRGM ont mené des travaux de recherche et d’échantillonnage de la matière première pour céramique dans la partie Nord de l’Algérie du nord. Ainsi, une série d’indices a été mise en évidence sur le territoire de la wilaya de Jijel. D’autres substances ont fait l’objet des travaux de recherche et de prospection tels que :
- Prospection des kaolins de Tamazert (Mission Chinoise, 1967-1968) - Réévaluation du gisement de kaolin de Tamazert (Sonarem, 1974-1976)
- Travaux de reconnaissance des matériaux de construction (Sonarem, 1977-1978)
Du point de vue géologique les principales formations argileuses de la région de Jijel qui présente un grand intérêt pratique dans l’industrie céramique sont :
Les argiles marneuses du Burdigalien, formant le remplissage du bassin néogène de Jijel. Elles constituent, depuis longtemps, l’une des matières premières les plus recherchées pour les poteries traditionnelles et les briques
Les argiles sous numidiennes, formant la base de la nappe numidienne, affleurant dans différents endroits de la région de Jijel (Mezghitane, Djimla, El Milia…).
Le kaolin (argile blanche), résultant de l’altération chimique des intrusions de leucogranites, de lames d’orthogneiss et des filons de pegmatites, intrudés dans les formations du socle Kabyle à l’exemple du gisement de Tamazert à El-Milia et celui d’Adjarda (Chekfa).
Ces différentes formations argileuses, caractérisées par une grande variation de composition minéralogique, offrent de grandes opportunités d’utilisation dans le domaine industriel (produits rouges, industrie céramique, papier…etc)
2. Problématique et objectifs de l’étude
Bien que la région de Jijel dispose d’un important potentiel en substances utiles, métalliques ou non métalliques, ces dernières n’ont pas été prises en considération par les différents plans de développement de la région. En effet, à l’instar de l’important gisement polymétallique (Pb-Zn-Cu) d’El Aouana et des concentrations de fer de la région de Sidi Marouf (SE de Jijel), la région de Jijel renferme d’importants dépôts d’argiles et des gisements de kaolin, représentant la matière première pour l’industrie des produits rouges et céramique. Cependant, l’utilisation de ces argiles reste tributaire d’études, pouvant mettre en relief leurs particularités sur le plan qualitatif et quantitatif.
4
Ce sujet de thèse constitue un apport scientifique important dans la connaissance et la caractérisation des substances minérales industrielles et plus particulièrement les matériaux argileux de la wilaya de Jijel. Le présent travail de thèse présente l’avantage de contribuer à la promotion et à la valorisation des matériaux locaux de construction tout en améliorant la qualité des céramiques artisanales et semi-industrielles et à inciter la création des Petites et Moyennes Entreprises (PME) dans la filière de la céramique.
Les objectifs spécifiques de ce travail sont:
Une meilleure identification des formations argileuses dans la wilaya de Jijel du point de vue génétique, minéralogique et gîtologique. Cette identification servira de support de base pour le lancement de nouveaux projets d’exploitation industrielle de matériaux argileux locaux ; ainsi que pour d’autres recherches.
Une caractérisation des argiles comme matière première utilisé par les industriels, les artisans et les céramistes, ainsi que leurs aptitudes pour la fabrication des produits céramiques de grande diffusion.
Une meilleure valorisation des ressources naturelles locales en vue de la production locale de matériaux céramiques de bonne qualité et de produits rouges dans la région de Jijel et ses environs. Cette valorisation constitue un des atouts importants du processus de développement local durable dans cette région.
Etablir un diagnostic des défauts liés à l’utilisation de ces matières premières et/ou aux procèdes de fabrication utilisés.
Proposer des solutions en vue de réduire les défauts liés à la fois au séchage et à la cuisson et améliorer la qualité du produit fini.
Limiter le cout énergétique de ces produits, par exemple en limitant les températures de cuisson à des degrés inférieurs à 1100°C.
3. Plan de travail
Pour mener à bien ce travail, deux démarches se sont avérées nécessaires, à savoir les travaux de terrain et les travaux de laboratoire. L’exploration, la description des affleurements et le prélèvement des échantillons représentatifs ont constitué les travaux de terrain. Les échantillons de matériaux prélevés du terrain ont été traités au laboratoire suivant les standards internationaux relatifs aux argiles pour matériaux de construction et de céramique. Ainsi, le travail effectué dans le cadre de cette thèse s’organise en cinq chapitres et est présenté comme suit.
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Le premier chapitre a été consacré à des généralités, comportant une synthèse bibliographique sur les matériaux argileux et un rappel succinct de connaissances spécifiques sur les minéraux argileux, leur structure et leur classification ainsi, que leurs applications dans la fabrication des produits de terre cuite notamment les briques cuites, tuiles et la céramique. Le deuxième chapitre est une présentation succincte des cadres géographique et géologique de la zone d’étude. Le troisième a principalement porté sur la méthodologie utilisée sur le terrain et au laboratoire.
Le quatrième chapitre a été réservé à la caractérisation physico-chimique, minéralogique et géotechnique des matériaux argileux, dont une partie (matériaux argileux du bassin néogène de Jijel) a fait l’objet d’un article qui a été publié dans la revue internationale « Applied Clay Science». Le cinquième chapitre a été consacré à l’étude des propriétés céramiques (technologiques) des produits cuits confectionnés à partir des matériaux argileux et cuits entre 800 et 1100 °C.
Enfin, une conclusion générale en guise de résume des principaux résultats obtenus et la contribution de cette étude dans la caractérisation et la valorisation des argiles de la wilaya de Jijel dans le domaine de l’industrie céramique. Elle présente des perspectives pour une valorisation efficiente dans le domaine artisanal, industriel ou semi-industriel.
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CHAPITRE I. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. Introduction
Dans ce chapitre, seront présentées des généralités relatives à l’origine des minéraux argileux et à leurs propriétés (minéralogie, structure et classification), et leurs applications dans le domaine de la céramique, particulièrement la fabrication des produits de terre cuite.
I.2. Définition, origine, structure et classification I.2.1. Définition
Le terme ARGILE trouve sont origine dans le mot grec ARGILOS dérivé de ARGOS qui signifie blanc, puis sa traduction en latin : ARGILLA. Cette nomination par les anciens est semble t-il due à la couleur du matériau utilisé en céramique. Actuellement, il n’existe pas de définition unique du terme argile. Le mot « argile » englobe deux connotations, l’une liée à la taille des grains (< 2μm) et l’autre à la minéralogie. La définition dépend de la discipline concernée. Pour les géologues (dictionnaire de géologie), une argile désigne soit un minéral argileux ou une roche composée pour l’essentiel de ces minéraux.
Une roche argileuse est une roche sédimentaire ou résiduelle meuble à grain très fin (≤ 2 µm) contenant au moins 50 % de minéraux argileux, auxquels peuvent s’ajouter d’autres minéraux très divers, détritiques ou non, d’où des compositions très variées (dictionnaire de géologie). Ce sont des roches tendres et rayables à l’ongle, fragiles à l’état sec, faisant pâte avec l’eau, et durcissant à la cuisson. Les minéraux argileux provient majoritairement de l’altération de roche magmatique et/ou métamorphique plus rarement de roches sédimentaires et, après transport, donne des argiles détritiques (cas le plus fréquent). Leurs transformation est en perpétuelle évolution sur des temps à l’échelle géologique, en passant d’un minéral argileux à un autre et en changeant ses propriétés initiales en fonction de l’environnement.
I.2.2. Origine des minéraux argileux
A l’origine de la formation des argiles, il y a l’action des conditions climatiques sur un relief (altération d’une roche préexistante) suivi de l’érosion (Millot, 1964) (Fig. 1). Cette action s’opère de façon mécanique (minéraux primaires) et/ou chimique (minéraux néoformés), et les produits résultant s’accumulent sur place sous forme de sol, ou sont transportés dans les bassins de sédimentation. Cette altération peut se faire :
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soit sur place (in situ) : dans ce cas l’argile obtenue est dite "argile primaire". Le plus souvent, elle est grossière (peu plastique) et présente les caractéristiques de la roche mère qui lui a donnée naissance (matériaux lithodépendants). On distingue deux processus d’altération : l’altération primaire résiduelle ou supergène (entre 5 et 25 °C de température) (Meunier, 2002) et l’altération hydrothermale (température supérieure à 50°C). Si l’argile résulte de la combinaison des ces deux processus d’altération, on parle alors de gisements primaires mixtes (Ekosse, 2010 ;Fernandez-Caliani et al., 2010) ;
soit par transport (par l’eau ou le vent) suivi du dépôt ou sédimentation dans un environnement lacustre ou côtier (lac, lagune, estuaire…). L’argile obtenue est dite "secondaire".
Figure 1 : Distribution géographique du processus d’altération en fonction de la latitude
(Velde et Meunier, 2008).
Il est à noter que les propriétés et la composition des minéraux argileux diffèrent selon les conditions climatiques (héritage, néoformation et transformation), topographiques (allitisation, monosialitisation et bisiallitisation) et la nature de la roche mère (acide ou basique) (Fig. 2). En milieu tropical chaud et humide se forme principalement la kaolinite sur roche acide (granite, rhyolite) et la smectite sur roche basique. Mais en climat tropical sec où le drainage est mauvais, la smectite peut se former par altération d’une roche acide comme le granite. La kaolinite résulte le
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plus souvent de l’altération des feldspaths alors que l’illite et la chlorite sont les minéraux hérités provenant de l’altération des micas (biotite et muscovite). Les smectites quant à elles proviennent de l’altération des plagioclases. Les minéraux argileux sont en continuelle évolution minéralogique pour atteindre un état d’équilibre thermodynamique selon l’agent d’altération (Thorez, 2003).
Figure 2: Influence de la nature de la roche-mère sur la composition des minéraux
secondaires (Velde, 1992).
I.2.3. Minéralogie, structure et propriétés des minéraux argileux
Les minéraux argileux appartiennent à la famille des phyllosilicates ou communément appelés « silicates en feuillets ». Leur structure est un empilement de couches tétraédriques essentiellement siliciques et octaédriques essentiellement aluminiques qui forme les feuillets. Entre eux s’insèrent divers cations, tels que K+, Ca2+, Na+ plus ou moins hydratés, ou une couche d’oxyde de Mg2+ ou d’Al3+ formant une couche interfoliaire.
Les couches tétraédriques (coordinance 4) sont composées par le motif élémentaire tétraédrique comportant un atome de silicium (SiO4)4- central et des atomes d’oxygène aux quatre sommets (trois planaires et un apical) (Fig. 3a). Par mise en commun d’atomes d’oxygène situés dans un même plan, on constitue un réseau-plan à maille hexagonale (Fig. 3b).
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les sommets sont soit des oxygènes soit des hydroxyles (OH) (Caillère et al, 1982). Ces anions sont liés à un cation central trivalent (Al3+, Fe3+) ou bivalent (Fe2+, Mg2+) (Fig. 3d). Si tous les sites octaédriques sont occupés, principalement par les cations bivalents, chaque anion est partagé entre trois octaèdres voisins. La couche est dite trioctaédrique. Si les cations des octaèdres sont principalement trivalents, deux sites sur trois sont occupés ; chaque anion est partagé entre deux octaèdres voisins. La couche est dite dioctaédrique.
Figure 3 : Assemblage tétraédrique et octaédrique (d’après Eslanger & Peaver 1988).
Par ailleurs, il peut exister des substitutions isomorphiques dans les couches tétraédriques (Si4+→Al3+, Fe3+) et/ou octaédrique (Al3+→Mg2+, Fe2+, ou Mg2+→Li+). Ces substitutions entraînent un déficit de charge qui est compensé, à l’extérieur du feuillet au plus prés par la charge du remplissage interfoliaire, soit par des cations (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+),
I.2.4. Classification des argiles
Les phyllosilicates sont distinguées par le nombre de couches mises en commun dans le feuillet élémentaire et par la façon dont ces feuillets s’empilent (Fig.4). L’espace entre deux feuillets parallèles s’appelle espace interfoliaire. Les premières classifications, établie par l’A.I.P.E.A (Comité International de Classification et de Nomenclature des Minéraux argileux) (1966-1972), sont basée essentiellement sur la charge du feuillet, le nombre d’atomes et la localisation des substitutions, leur distribution et le type de cations compensateurs (Mering et Pedro, 1969).
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Le Tableau 1 présente une classification déduite des travaux de Brindley (1966) et Mc Kenzie (1975) qui donne la valeur de la charge permanente du feuillet qui a servi comme critère pour établir une classification des phyllosilicates 2:1.
La classification la plus classique des minéraux argileux est basée sur l’épaisseur et l’agencement des couches tétraédriques et octaédriques de la structure du feuillet (espace interfoliaire) (Tab. 2). On distingue ainsi quatre groupes de minéraux (Jozja, 2003) :
Figure 4: Représentation schématique d’un feuillet de phyllosilicate 2:1
(D’après Luckham et Rossi, 1999)
Minéraux à 7Å : Le feuillet est constitué d’une couche tétraédrique et d’une couche octaédrique. Il est qualifié de T:O ou de type 1:1. Son épaisseur est d’environ 7 Å.
Minéraux à 10 Å : Le feuillet est constitué de deux couches tétraédriques et d’une couche octaédrique. Il est qualifié de T:O:T ou de type 2:1. Son épaisseur est variable entre 9 et 15 Å, suivant le remplissage ou non de l’espace interfoliaire.
Minéraux à 14 Å : Le feuillet est constitué de l’alternance de feuillets T:O:T et de couches octaédriques interfoliaires. Il est qualifié de T:O:T:O ou de type 2:1:1. L’équidistance caractéristique est alors de 14 Å environ ;
Minéraux interstratifiés : L’épaisseur du feuillet est variable. Ces minéraux résultent du mélange régulier ou irrégulier d’argiles appartenant aux groupes ci-dessus.
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I.2.4.1. Les minéraux à 7 Å (1:1 ou T-O)
La maille des phyllosilicates 1:1 contient 4 octaèdres occupés par Al3+ et par 4 tétraèdres occupés par Si4+ (Fig. 04). La majeure partie des phyllosilicates 1:1 rencontrés dans les sols sont dioctaédriques avec de l’aluminium en position octaédrique. Ces minéraux appartiennent à la famille des kaolinites dont la formule est Si4O10Al4(OH)8.
Le feuillet de kaolinite est neutre car la charge négative de la charpente anionique est entièrement compensée par la charge positive des cations tétraédriques et octaédriques. Cette famille regroupe les kaolinites et les halloysites. La distance inter-réticulaire (d001) de la kaolinite est de 7,15 Å (Fig. 5). Elle ne varie pas par hydratation ou solvatation à l’éthylène glycol. La structure et la composition chimique de l’halloysite est similaire à celle de la kaolinite, cependant une couche d’eau est présente dans l’espace interfoliaire (Churchman & Carr, 1975, Joussein et al., 2005).
Figure 5: Structure d’un feuillet de kaolinite (Cyril, 2005).
La Halloysite est formée de feuillets de kaolinite séparés par des couches d’eau. La distance du grand espacement réticulaire devient 10Å, mais par chauffage, l’eau peut être chassée et on retrouvera celle de la kaolinite 7,2 Å. Cette halloysite déshydratée s’appelle la métahalloysite. Au microscope électronique, l’halloysite présente souvent l’aspect de tubes qui sont dus à l’enroulement des feuillets.
I.2.4.2. Les minéraux à 10 Å (2:1 ou T-O-T)
La charge négative de la charpente anionique du feuillet 2:1 peut être totalement compensée par les cations tétraédriques et octaédriques (Fig. 6). Les minéraux 2:1 à feuillet neutre sont
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principalement des minéraux de haute température et sont peu communs dans les sols, la pyrophyllite Si8O20Al4(OH)4 pour le pôle dioctaédrique et le talc Si8O20Mg6(OH)4 pour le pôle trioctaédrique. La distance inter réticulaire (d001) de la pyrophyllite est de 9,2 Å et celle du talc 9,35Å.
Cependant la plupart des phyllosilicates 2:1 rencontrés dans les sols présentent des substitutions cationiques dans les tétraèdres et les octaèdres. Dans les tétraèdres les principaux cations rencontrés sont Si4+ et Al3+ et parfois Fe3+. Les substitutions octaédriques correspondent au remplacement d’un cation trivalent (R3+ ex. Al3+) par un cation bivalent (R2+ ex. Mg2+). Les possibilités de substitutions en couche octaédrique sont plus importantes (Al3+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, ...) du fait de la plus grande taille de l’octaèdre. Les substitutions entrainent un excès de charges négatives du feuillet qui n’est pas compensé par les cations octaédriques et tétraédriques mais par une couche de cations interfoliaires qui peuvent se trouver sous forme de cations libres ou d’une couche octaédrique en position interfoliaire. Selon la charge du feuillet on différencie plusieurs types de minéraux.
L’illite (K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)]
Les illites appartiennent à la famille des phyllosilicates 2:1. Le feuillet élémentaire est composé d’une couche octaédrique d’aluminium comprise entre deux couches tétraédriques de silicium (Fig. 6). Dans les couches tétraédriques de silicium un ion Si4+ sur quatre est remplacé par un ion Al3+. Le déficit de charge qui en résulte est compensé dans l’espace interfoliaire par des ions potassium K+ qui assurent des liaisons fortes entre les feuillets.
13 Les smectites
Les minéraux les plus importants de cette famille sont la montmorillonite, la beidellite, l’hectorite et la saponite. La charge élevée de ces argiles est due pour l’essentiel à des substitutions isomorphiques. Les smectites ont, de par leur structure, la nécessité d’équilibrer leur charge dans l’espace interfoliaire par l’insertion de cations (K+, Ca2+, Mg2+ ou Na+) dans cet espace. Des cations compensateurs viennent alors se placer dans l’espace interfoliaire pour combler le déficit de charge. Ces argiles ont une capacité d’échange cationique élevée. Des molécules d’eau sont susceptibles de s’intercaler dans l’espace interfoliaire et le degré d’hydratation dépend de la nature du cation hydraté et de l’humidité relative (Fig. 7).
La distance inter réticulaire des smectites, dont le cation interfoliaire est le calcium, est comprise entre 9,8 Å (0 couche d’eau), 12,5 Å (1 couche d’eau) et 15,2 Å (2 couches d’eau) en fonction de l’humidité ambiante (Fig. 8). En présence d’éthylène glycol ces minéraux gonflent à 13,5 Å (1 couche EG) et 17,0 Å (2 couches EG) (Ferrage, 2004, Ferrage et al., 2005a,b, 2007). Cette possibilité de « gonflement » des espaces interfoliaires conduit à désigner ces argiles par le terme d’«argiles gonflantes».
Figure 7: Structure d’une smectite et DRX de lame orientée correspondant (Bleu : DRX sec à l’air,
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Figure 8: Différents états d’hydratation et de solvatation à l’éthylène glycol
d’une smectite (Caner, 2011).
Les vermiculites
Les vermiculites appartiennent à la famille des phyllosilicates 2:1. Elles constituent une famille proche de celle des smectites, mais elles sont caractérisées par un déficit de charge plus important (charge comprise entre -0,6 et -0,7). Le déficit de charge est essentiellement dû aux substitutions tétraédriques et la compensation est assurée dans l’espace interfoliaire par des cations (K+, Ca2+, Mg2+ ou Na+) et des couches d’eau. Le feuillet de vermiculite « haute charge » est théoriquement un feuillet non expansible après solvatation à l’éthylène glycol. La distance inter-réticulaire des vermiculites est de 14,5 Å. Les vermiculites dioctaédriques résultent généralement de l’altération des micas (illite ou muscovite) et sont abondantes dans les sols. Les vermiculites trioctaédriques sont plutôt issues de l’altération des chlorites.
I.2.4.3. Les minéraux à 14 Å (2:1:1 ou T-O-T-O)
Pour ce groupe de phyllosilicates une couche octaédrique interfoliaire, qui ne partage pas de sommets (liaisons ioniques) avec les couches tétraédriques des feuillets 2:1 qui l’entourent, neutralise les charges du feuillet 2:1. Ces phyllosilicates correspondent aux feuillets 2:1:1. La couche octaédrique additionnelle peut être dioctaédrique [Al(OH)3] et dite gibbsitique ou trioctaédrique [Mg(OH)2] et dite brucitique.
